第15章 第四讲 热力学定律与能量守恒定律（课件）-【创新方案】2026年高考物理一轮复习（福建专版）

热力学定律与能量守恒定律 第 四 讲 |纲举目张|·|精要回顾| 热量 所做的功 Q+W 低温 高温 转化 转移 微点判断 (1)做功和传热的实质是相同的。 ( ) (2)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。 ( ) (3)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。 ( ) (4)可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功。 ( ) × √ × √ (5)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。 ( ) (6)(人教版课后习题)空调在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量。 ( ) (7)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。 ( ) × √ √ 1 逐点清(一)　热力学第一定律的理解及应用(基础点速过) 2 逐点清(二)　热力学第一定律与气体图像 的综合(基础点速过) CONTENTS 目录 4 逐点清(四)　热力学第二定律的理解及应用(重难点疏通) 3 逐点清(三)　热力学第一定律与气体实验定律的结合(重难点疏通) 5 课时跟踪检测 逐点清(一)　热力学第一定律的理解及应用(基础点速过) |关键知能|·|升维学习| ◉对热力学第一定律的理解 1.(2023·全国甲卷，改编)(双选)在一汽缸中用活塞封闭着一定质量的理想气体，发生下列缓慢变化过程，气体一定与外界有热量交换的过程是(　 ) A.气体的体积不变，温度升高 B.气体的体积增大，温度降低 C.气体的体积减小，温度升高 D.气体的体积增大，温度不变 √ √ 解析：气体的温度升高，则气体的内能升高，体积不变，则气体做功为零，因此气体吸收热量，A正确；气体的温度降低，则气体的内能降低，体积增大，则气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即可能 没有热量交换，B错误；气体的温度升高，则气体的内能升高，体积减小，则外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即可能没有热量交换，C错误；气体的温度不变，则气体的内能不变，体积增大，则气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU=W+Q，可知Q>0，即气体吸收热量，D正确。 ◉热力学第一定律的应用 2.如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体(　 ) A.内能减少 B.对外界做正功 C.增加的内能大于吸收的热量 D.增加的内能等于吸收的热量 √ 解析：小瓶内的空气可视为理想气体，在小瓶缓慢上浮的过程中，瓶内空气的温度随水温升高，内能增加，故A错误；同时，瓶内空气的压强减小，由理想气体的状态方程=C，可知体积增大，气体对外界做正功，故B正确；根据热力学第一定律ΔU=W+Q，由于ΔU>0，W<0，则Q>0，可见气体吸收的热量大于增加的内能，故C、D错误。 3.某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体 (　 ) A.对外做正功，分子的平均动能减小 B.对外做正功，内能增大 C.对外做负功，分子的平均动能增大 D.对外做负功，内能减小 √ 解析：密闭于汽缸内的压缩气体膨胀对外做正功，即外界对气体做负功，因而W<0，缸内气体与外界无热量交换说明Q=0，忽略气体分子间的相互作用，说明内能是所有分子动能的总和。根据热力学第一定律ΔU=W+Q，可知内能增加量ΔU<0，故内能减小，分子平均动能减小，温度降低，所以A正确。 1.对热力学第一定律的理解 (1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。 (2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。 (3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。 2.热力学第一定律的三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q=0，W=ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)若过程中不做功，则W=0，Q=ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 (3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W+Q=0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。 逐点清(二)　热力学第一定律与气体图像的综合(基础点速过) ◉热力学第一定律与p-V图像的综合 1.(2024·新课标卷)(双选)如图，一定质量理想气体的循环由下面4个过程组成：1→2为绝热过程(过程中气体不与外界交换热量)，2→3为等压过程，3→4 为绝热过程，4→1为等容过程。上述四个过程是四冲程柴油机工作循环的主要过程。下列说法正确的是(　 ) A.1→2过程中，气体内能增加 B.2→3过程中，气体向外放热 C.3→4过程中，气体内能不变 D.4→1过程中，气体向外放热 √ √ 解析：1→2为绝热过程，此时气体体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，可知气体内能增加，故A正确；2→3为等压过程，根据盖-吕萨克定律可知气体体积增大时温度增加，内能增大，此时气体体积增大，气体对外界做功W23<0，根据热力学第一定律可知气体吸收热量，故B错误；3→4为绝热过程，此时气体体积增大，气体对外界做功W34<0，根据热力学第一定律可知气体内能减小，故C错误；4→1为等容过程，根据查理定律可知压强减小时温度减小，气体内能减小，由于气体体积不变，则W41=0，根据热力学第一定律可知气体向外放热，故D正确。 ◉热力学第一定律与p-T图像的综合 2.(2022·全国甲卷，改编)(双选)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-T图像上从a到b的线段所示。在此过程中(　 ) A.气体一直对外做功 B.气体的内能一直增加 C.气体一直从外界吸热 D.气体吸收的热量等于其对外做的功 √ √ 解析：因从a到b的p-T图像过原点，由=C可知从a到b气体的体积不变，则从a到b气体不对外做功，A错误；因从a到b气体温度升高，可知气体的内能增加，B正确；因W=0，ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知，气体一直从外界吸热，且气体吸收的热量等于内能的增加量，C正确，D错误。 ◉热力学第一定律与V-T图像的综合 3.(2022·福建高考)带有活塞的汽缸封闭一定质量的理想气体，气体开始处于a状态，然后经过a→b→c状态变化过程到达c状态，在V⁃T图中变化过程如图所示。 (1)气体从a状态经过a→b到达b状态的过程中压强　　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)；  增大 解析：(1)由V⁃T图像可知，气体从a状态经过a→b，到达b状态的过程中，气体的体积保持不变，温度升高，根据=C，可知气体的压强增大。 (2)气体从b状态经过b→c到达c状态的过程要　　　　　(填“吸收”或“放出”)热量。  解析：(2)由V⁃T图像可知，气体从b状态经过b→c到达c状态的过程，气体的温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积减小，则外界对气体做正功，根据热力学第一定律可知，气体对外放出热量。 放出 热力学第一定律与气体图像的综合问题的解题思路 (1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。 (2)在p-V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。 (3)结合热力学第一定律判断有关问题。 逐点清(三)　热力学第一定律与气体实验定律的结合(重难点疏通) [典例]　(2023·山东高考)(双选)一定质量的理想气体，初始温度为300 K，压强为1×105 Pa。经等容过程，该气体吸收400 J的热量后温度上升100 K；若经等压过程，需要吸收600 J的热量才能使气体温度上升100 K。下列说法正确的是 (　 ) A.初始状态下，气体的体积为6 L B.等压过程中，气体对外做功400 J C.等压过程中，气体体积增加了原体积的 D.两个过程中，气体的内能增加量都为400 J √ √ [解析]　令理想气体的初始状态的压强、体积和温度分别为p1=p0，V1=V0，T1=300 K，经等容过程压强为p2，体积V2=V1=V0，温度T2=400 K，经等压过程压强为p3=p0，体积变为V3，温度T3=400 K，由理想气体状态方程可得==，解得p2=p0，V3=V0，C错误；等容过程中气体做功为零，由热力学第一定律ΔU=W+Q=400 J，两个过程的初、末温度相同即内能变化相同，因此内能增加量都为400 J，D正确；等压过程内能增加了400 J，吸收热量为600 J，由热力学第一定律可知气体对外做功为200 J，即做功的大小为W=p0=200 J，解得V0=6 L，A正确，B错误。 [规律方法] 热力学第一定律与气体实验定律结合问题的解题思路 [针对训练] ◉盖-吕萨克定律与热力学定律的结合 1.(2024·湖北高考)如图所示，在竖直放置、开口向 上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气 体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器 内气体的温度为T0，气柱的高度为h。当容器内气体从 外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU=CΔT，C为已知常数，大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，所有温度为热力学温度。求： (1)再次平衡时容器内气体的温度； 答案：(1)T0 解析：(1)由题意可知，气体进行等压变化，则由盖-吕萨克定律得= 即=，解得T1=T0。 (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 答案：(2)h(p0S+mg)+CT0 解析：(2)此过程中气体内能增加ΔU=CΔT=CT0 气体对外界做的功W=pSΔh=h(p0S+mg) 根据热力学第一定律可知，此过程中容器内气体吸收的热量Q=ΔU+W=h(p0S+mg)+CT0。 2.(2024·福建高考)夜间环境温度为17 ℃时，某汽车轮胎的胎压为2.9个标准大气压，胎内气体视为理想气体，温度与环境温度相同，体积和质量都保持不变。次日中午，环境温度升至27 ℃，此时胎压为　　　　个标准大气压，胎内气体的内能　　　　(填“大于”“等于”或“小于”)17 ℃ 时的内能。(计算时0 ℃取273 K)  ◉查理定律与热力学第一定律的结合 3.0 大于 解析：轮胎内部被封闭气体的体积不变，初始温度T1=17+273 K=290 K，压强p1=2.9 atm，末状态温度为T2=27+273 K=300 K，压强为p2，根据查理定律有=，代入数据解得p2=3.0 atm，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，气体体积没有发生改变，故W=0，由于环境温度升高，气体会从外界吸收热量，故Q>0，所以气体内能大于初始状态内能。 3.(2024·黑吉辽高考)如图，理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2=5∶1，原线圈接在电压峰值为Um的正弦交变电源上，副线圈的回路中接有阻值为R的电热丝，电热丝密封在绝热容器内，容器内封闭有一定质量的理想气体，接通电路开始加热，加热前气体温度为T0。 (1)求变压器的输出功率P； 答案：(1) 解析：(1)由原线圈所接正弦交流电的峰值求出其有效值U1=，设变压器副线圈的输出电压为U2，则有= 求得U2=U1= 故变压器的输出功率P==。 (2)已知该容器内的气体吸收的热量Q与其温度变化量ΔT成正比，即Q=CΔT，其中C已知。若电热丝产生的热量全部被气体吸收，要使容器内的气体压强达到加热前的2倍，求电热丝的通电时间t。 答案：(2) 解析：(2)设加热前容器内气体的压强为p0，加热后容器内气体的温度为T1，则加热后气体的压强为2p0，由题意可知容器内的气体做等容变化，则由查理定律有=，解得T1=2T0 由Q=CΔT知气体吸收的热量Q=C(2T0-T0)=CT0 又容器是绝热容器且电热丝产生的热量全部被气体吸收，则Q=Pt=CT0，即t=CT0 解得t=。 ◉玻意耳定律与热力学第一定律的结合 4.一定质量的理想气体被一薄活塞封闭在导热性能良好的汽缸内。活塞的质量m=20 kg、面积S=200 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动且不漏气，开始时汽缸水平放置，如图甲所示，活塞与汽缸底的距离L1=22 cm，离汽缸口的距离L0=4 cm。外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后如图乙所示，然后对缸内气体缓慢加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平，如图丙所示，g取10 m/s2。 (1)求图乙状态下活塞与汽缸底部的距离L2； 答案：(1)20 cm 解析：(1)当汽缸水平放置时p1=p0=1.0×105 Pa V1=L1S 当汽缸口向上时p2=p0+=1.1×105 Pa V2=L2S 由玻意耳定律p1V1=p2V2，解得L2=20 cm。 (2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，气体增加的内能ΔU=368 J，求该过程气体吸收的热量Q。 答案： (2)500 J 解析：(2)加热后气体做等压变化，设外界对气体做功为W，则W=-p2S 解得W=-132 J 由热力学第一定律得ΔU=W+Q 解得Q=500 J。 逐点清(四)　热力学第二定律的理解及应用(重难点疏通) 1.热力学第二定律的含义 (1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。 (2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。 2.热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 3.热力学第一、第二定律的比较   热力学第一定律 热力学第二定律 由定律揭示 的问题 从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系 自然界中出现的宏观过程是有方向性的 机械能和 内能的转化 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能 热量的传递 热量可以从高温物体自发传向低温物体 热量不能自发地从低温物体传向高温物体 两定律 的关系 在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础 4.两类永动机的比较   第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器 不可能 制成的原因 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律 题点1　对热力学第二定律的理解 1.下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　 ) A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生 B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 C.机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能可以全部用来做功而转化成机械能 D.气体向真空的自由膨胀是可逆的 √ 解析：符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，C错误；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。 题点2　热力学第二定律的应用 2.(2025·福州模拟)火热的6月即将到来，高三的同学们也进入高考最后的冲刺，教室里的空调为同学们提供了舒适的环境，空调的工作原理如图所示，以下表述高温物体正确的是(　 ) A.空调的工作原理对应的是热力学第一定律的开尔文表述 B.空调的工作原理反映了热传导的方向性 C.此原理图中的Q1=Q2 D.此原理图说明热量不能从低温物体传到高温物体 √ 解析：空调的工作原理对应的是热力学第二定律的开尔文表述，A错误；空调的工作原理反映了热传导的方向性，热量不能自发的从低温物体传给高温物体，但在其他力干预下，可以从低温物体传导给高温物体，B正确；此原理图中的Q1=Q2+W，C错误；此原理图说明在外界干预下，热量能从低温物体传到高温物体，D错误。 3.(2025·南安模拟)(双选)物理兴趣小组在参加完学校的“节能环保、低碳减排”活动后，提出了自己的一些设想，从物理学的角度，你认为可行的是 (　 ) A.制造一种运动装置，将它与地面的摩擦产生的内能全部转化为动能 B.制造一种自行车，把它行进时的一部分动能转化成电能，提供照明 C.将城市的楼顶全部安装光伏发电装置，节能减排 D.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械 √ √ 解析：制造一种运动装置，将它与地面的摩擦产生的内能全部转化为动能这个设想违反了热力学第二定律，是不可行的，故A错误；制造一种自行车，把它行进时的一部分动能转化成电能，提供照明，这符合能量守恒定律与热力学第二定律，是可行的，故B正确；将城市的楼顶全部安装光伏发电装置，充分利用太阳能，能够做到节能减排，故C正确；利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械，这违背了能量守恒定律，不可行，故D错误。 课时跟踪检测 (单击进入电子文档) $$